邢相偉，彭彥平，龐桂兵，趙秀君

（大連工業(yè)大學(xué)機械工程及自動化學(xué)院，遼寧大連　116034）

基于正交試驗法沾漿機漿拐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進

邢相偉，彭彥平，龐桂兵，趙秀君

（大連工業(yè)大學(xué)機械工程及自動化學(xué)院，遼寧大連116034）

按照生產(chǎn)工藝和設(shè)計要求，選擇對沾漿機攪拌性能影響最為關(guān)鍵的料桶轉(zhuǎn)速、漿拐形狀和槳徑比3個參數(shù)為變化因素，按正交方案設(shè)計了9臺沾漿機模型。采用Fluent滑移網(wǎng)格方法對設(shè)計的9臺模型進行仿真模擬，得到了各幾何參數(shù)對沾漿機攪拌性能影響程度的主次順序，并得出模型沾漿機漿拐的截面夾角為30°、槳徑比為0.35為最優(yōu)設(shè)計方案。

沾漿機；正交試驗；仿真；優(yōu)化

0　引　言

沾漿機是應(yīng)用于精密鑄造行業(yè)的攪漿設(shè)備，主要作用是保持漿料的混合均勻性。傳統(tǒng)的沾漿機雖然能滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求，但是攪漿效果比較差。而對于沾漿機結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，傳統(tǒng)方式主要是經(jīng)驗法和試驗法。經(jīng)驗法雖然比較簡單，但是需要有非常豐富的實踐經(jīng)驗，而且經(jīng)驗法并不一定能得到最優(yōu)的結(jié)果。相反實驗法雖然能夠獲得最優(yōu)化的結(jié)果，但是需要做大量的實驗，人力和物力投入比較大。

盡管有許多研究者在攪拌器的研究上做了許多工作，但尚有一些問題沒有完全解決。對于傳統(tǒng)攪拌器的研究，Lunden等［1］研究和模擬了單層渦輪槳攪拌槽內(nèi)的混合過程，雖然總體結(jié)果一致，但實驗結(jié)果與仿真結(jié)果在細節(jié)上尚有出入。陳啟宗［2］分析了連續(xù)式攪拌與間歇式攪拌設(shè)備的特點，并分別列舉出了它們的優(yōu)越性，但是并沒提出來自己的設(shè)計方案。

通過對攪漿過程的觀察研究和分析發(fā)現(xiàn)：漿拐的截面形狀、料桶的轉(zhuǎn)速及槳徑比是影響沾漿機攪拌性能的主要三因素。作者以Fluent軟件為建模仿真基礎(chǔ)［3］，運用正交試驗法［4－5］，對上述三因素進行試驗研究和分析，結(jié)構(gòu)證明設(shè)計分析方法是可行的，為實際生產(chǎn)當(dāng)中漿拐結(jié)構(gòu)的設(shè)計和改進提供理論依據(jù)。

1　正交試驗方案

本試驗探索選定的試驗因素對沾漿機攪拌效果的影響程度，找出各因素對性能指標的影響程度主次順序。根據(jù)試驗結(jié)果，選擇沾漿機漿拐的參數(shù)的最優(yōu)設(shè)計組合，為沾漿機漿拐的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1.1試驗評價指標

漿拐的截面形狀、料桶的轉(zhuǎn)速及槳徑比對沾漿機的攪拌性能的影響較大。在利用正交試驗法，對形狀、料桶的轉(zhuǎn)速及槳徑比進行優(yōu)化時，需要確定幾個評價指標，來評價得到的方案是否滿足優(yōu)化目標的要求。作為試驗結(jié)果評價標準的主要指標有如下3個。

（1）攪拌功率。漿拐對流體做功的大小是攪拌性能檢測的一個重要指標［6－7］，因此將漿拐的攪拌功率P作為一個評價指標。同時為了證明優(yōu)化性能的好壞，依據(jù)已監(jiān)測到的功率P引入另一個參數(shù)功率改善率，如公式（1）所示。

式（1）中：P1表示漿拐結(jié)構(gòu)改進前的攪拌功率，P2表示漿拐結(jié)構(gòu)改變后的攪拌功率。λP功率改善率為正時，說明提高了沾漿機的攪拌功率，達到了改進效果。如果為負，則表示未達到改進效果。

（2）靜區(qū)域最大速度。在Fluent的仿真模型中劃分了動靜區(qū)域，靜區(qū)域速度的改變，說明了周圍流體向中間位置的流動狀況，因此把靜區(qū)域的最大速度Vmax作為攪拌性能檢測的另一個指標。通過Fluent的速度云圖及后處理軟件即可獲得靜區(qū)域的Vmax。而靜區(qū)域最大速度改變率則能反映出改進后的結(jié)構(gòu)優(yōu)劣性，根據(jù)靜區(qū)域的Vmax例公式，如公式（2）所示。

式（2）中：Vmax1表示漿拐結(jié)構(gòu)改進前沾漿機模型靜區(qū)域的最大速度，Vmax2表示漿拐結(jié)構(gòu)改進后沾漿機模型靜區(qū)域最大速度。最大速度改變率反映了優(yōu)化效果的好壞，值為正即達到優(yōu)化的目的，反之說明不符合優(yōu)化要求。

（3）動靜區(qū)域相對速度。為了更加全面的說明流體在整個桶內(nèi)的整體流動性，定義另一個參數(shù)動靜區(qū)域最大相對速度，如公式（3）所示。式（3）中：Vmaxm表示動區(qū)域內(nèi)流體的最大速度，Vmaxq表示靜區(qū)域內(nèi)流體的最大速度。S越小流體向中心區(qū)域的流動性越好。

為了表示優(yōu)化性能的好壞，引入了一個指標λS（整體流動率）。根據(jù)公式（3）已求得的S例公式，如公式（4）所示。

式（4）中：S1表示漿拐結(jié)構(gòu)改進前動靜區(qū)域最大速度差值，S2表示漿拐結(jié)構(gòu)改進后動靜區(qū)域最大速度差值。λS為正表示達到改進要求，若為負說明未達到改進要求。

除了以上3個指標，還為試驗設(shè)置了一個綜合評價指標K，公式如公式（5）所示：

式（5）中：K為綜合優(yōu)化指標，K值越大表示優(yōu)化結(jié)果越好。

1.2試驗參數(shù)確定

確定評價指標以后，再根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)的工藝要求和設(shè)計經(jīng)驗，選擇截面角度A，料桶轉(zhuǎn)速B，槳徑比C作為正交試驗的變化因素，因素水平表如表1所示。

表1　沾漿機正交試驗的因素水平表Tab.1　Factor　levels　of　slurry　mixer　orthogonal　text

2　試驗結(jié)果分析

2.1試驗結(jié)果

根據(jù)表1，選擇正交試驗方案，共進行9次試驗。試驗分布及結(jié)果如表2所示。

2.2試驗結(jié)果極差分析

極差是與各因素不同水平相對應(yīng)的試驗指標平均值的最大值與最小值之差，一般用R表示，R的值反映出各因素對考核指標的影響大小。R越大表示該因素的水平變化對試驗指標的影響越大，該因素在試驗中越重要；反之，該因素越不重要。正交試驗的極差分析結(jié)果見表3，Ki（i＝1，2，3）為第i水平上的平均值，K越大，表明改進效果越好。

各因素水平對K值的影響變化趨勢見圖1。圖1是用表1的水平因素和表3的來標繪的。從圖中可看出：在試驗參數(shù)的范圍內(nèi)沾漿機漿拐的截面夾角越大，K減??；在生產(chǎn)工藝要求的范圍內(nèi)，料桶的轉(zhuǎn)速增大，K增大；槳徑比增大，K增大。

適宜操作條件的確定。由上文介紹，試驗指標K值愈大愈好。為此，本文的最優(yōu)參數(shù)組合是各水平下K的平均值最大時的條件：漿拐的截面夾角為π／6rad、料桶的轉(zhuǎn)速為40r／min、槳徑比為0.35。以上參數(shù)恰好為3號試驗設(shè)定的參數(shù)。

表2　沾漿機正交試驗結(jié)果Tab.2　Result　of　slurry　mixer　orthogonal　test

表3　沾漿機正交試驗的結(jié)果分析Tab.3　Analysis　of　slurry　mixer　orthogonal　test

圖1　正交試驗因素變化趨勢圖Fig.1　Orthogonal　test　factors　trend　chart

2.3試驗仿真結(jié)果

圖2、圖3為改進前后沾漿機仿真內(nèi)部剖面圖和俯視圖流場的各自對比，改進前的模型仿真條件為：漿拐的截面夾角為0、料桶的轉(zhuǎn)速為30r／min、槳徑比為0.15、漿拐對稱安裝。改進后的模型仿真條件為：漿拐的截面夾角為π／6rad、料桶的轉(zhuǎn)速為40r／min、槳徑比為0.35、漿拐垂直安裝。通過圖2沾漿機流場仿真內(nèi)部剖面圖可以很清楚地看到，改進前沾漿機的攪拌區(qū)主要集中在漿拐附近，而且流體的流動性較差。而改進后的沾漿機雖然攪拌區(qū)域也在漿拐附近，但是攪拌區(qū)域明顯擴大，而且流體像中心區(qū)域流動的趨勢非常的明顯（可以通過圖3漿機流場仿真俯視圖觀察這一變化）。因此對比發(fā)現(xiàn)，改進后沾漿機的流場分布比較均勻，流體能夠?qū)崿F(xiàn)整體的交換流動，基本達到改進要求。

圖2　沾漿機流場仿真內(nèi)部剖面圖Fig.2　Slurry　mixer　sectional　view　of　the　internal　flow　field　simulation

圖3　沾漿機流場仿真俯視圖Fig.3　Slurry　mixer　top　view　of　the　internal　flow　field　simulation

3　結(jié)　論

通過基于Fluent正交實驗法，得出了沾漿機漿拐的最佳優(yōu)化參數(shù)：漿拐的截面夾角為π／6rad、槳徑比為0.35。

在實際設(shè)計中，還要考慮機器的結(jié)構(gòu)問題。在槳徑比的選擇上，應(yīng)在保證優(yōu)化結(jié)果的基礎(chǔ)上，盡可能地選擇小的槳徑比。因為槳徑比增大，漿拐的尺寸和質(zhì)量就會增加，不利于漿拐的上下升降。同時因為漿拐是懸臂安裝容易使?jié){拐根部彎曲變形，甚至可能會與桶壁接觸，產(chǎn)生摩擦。

［1］LUNDENM，STENBERGO，ANDERSSONB.E－valuationofamethodformeasuringmixingtimeusingnumericalsimulationandexperimentaldata［J］.ChemicalEngineeringCommunications，1995，139（1）：115－136.

［2］陳啟宗.連續(xù)式攪拌設(shè)備與間歇式攪拌設(shè)備的性能比較［J］.同濟大學(xué)學(xué)報，2001，29（9）：1001－1004.

［3］文媛媛.基于FLUENT的混合器內(nèi)部流場數(shù)值模擬［J］.過濾與分離，2010，20（1）：26－33.

［4］欒軍.現(xiàn)代試驗設(shè)計優(yōu)化方法［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，1995：20－26.

［5］余艷波，田啟華，杜義賢.插齒機靜壓支承所受載荷的正交試驗優(yōu)化設(shè)計［J］.三峽大學(xué)報，2013，4（2）：81－84.

［6］陳志平，章序文，林興華，等.攪拌與混合設(shè)備設(shè)計手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：5－15.

［7］鐘麗，黃雄斌，賈志剛.固－液攪拌槽內(nèi)顆粒離底懸浮臨界轉(zhuǎn)速的CFD模擬［J］.北京化工大學(xué)學(xué)報，2003，30（6）：175－176.

［8］李云雁，胡傳榮.試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010：45－51.

Optimizationofagitatorstructureofslurrymixerbyorthogonaltestmethod

XINGXiangwei，PENGYanping，PANGGuibing，ZHAOXiujun
（SchoolofMechanicalEngineeringandAutomation，DalianPolytechnicUniversity，Dalian116034，China）

Accordingtotheproductionprocessanddesignrequirements，thecriticalimpactonmixture performanceofslurrymixer，threeparametersincludingtankspeed，agitatorshapeandpaddle diameterratioaresetasvariablefactors.Nineslurrymixermodelsaredesignedbasedonorthogonal testmethod.NinemodelswithFluentSlidingmeshmethodarestimulated，theinfluenceof geometricalparametersontheextentofthemixerperformanceisobtainedandtheoptimaldesign schemethatissectionangleof30°andimpellerdiameterratioof0.35isacquiredaswell.

slurrymixer；orthogonaltest；simulation；optimize

TH122

A

1674－1404（2015）02－0153－04

2014－01－10.

邢相偉（1987－），男，碩士研究生；通信作者：彭彥平（1962－），男，教授.